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Durchbruch für verbesserte Präzisionsmessungen und Informationsverarbeitung

Durchbruch für verbesserte Präzisionsmessungen und Informationsverarbeitung

Neueste Ergebnisse werden in „Science“ publiziert: Prof. Dr. Klempt ist es in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Bilbao/Spanien gelungen, die Verschränkung von identischen Atomen innerhalb einer Wolke direkt nachzuweisen.

Verschränkung ist ein Konzept in der modernen Physik, das ermöglicht, Präzisionsmessungen - wie beispielsweise in Atomuhren - noch genauer durchführen zu können, moderne Kryptografie perfekt zu sichern oder einen Quantencomputer zu entwerfen, der heutigen Supercomputern weit überlegen ist.

Derzeit bauen wissenschaftliche Arbeitsgruppen und auch Firmen möglichst große verschränkte Systeme Teilchen für Teilchen auf. Der derzeitige Rekord liegt bei 72 Teilchen. Prof. Carsten Klempt aus dem Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover und sein Team verfolgen einen anderen Weg: Sie wollen die Verschränkung in großen Wolken von 10.000 ultrakalten Atomen erzeugen, denn die oben genannten Ziele benötigen eine möglichst große verschränkte Teilchenanzahl. Die Schwierigkeit besteht in dieser Vorgehensweise darin, dass die Atome ununterscheidbar am selben Ort mit gleichen Eigenschaften ausgestattet sind. Dies begünstigt zwar die Erzeugung von Verschränkung, erschwert es aber, diese nachzuweisen oder für Anwendungen wie Präzisionsmessungen anwendbar zu machen. Professor Klempt ist es nun in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Bilbao/Spanien gelungen, die Verschränkung von identischen Atomen innerhalb einer Wolke direkt nachzuweisen. Die atomare Wolke wurde dafür räumlich in zwei Teile geteilt und die stark zusammenhängenden Messwerte zwischen den nun unterscheidbaren Atomen aufgezeichnet. Entsprechende Ergebnisse an den Universitäten Heidelberg und Basel bestätigen den Nachweis in unabhängigen Experimenten. Auf Basis dieser Ergebnisse arbeiten Forscher aktuell daran, wie die erzeugte Verschränkung tatsächlich in Richtung (Quanten-) Informationsverarbeitung oder Präzisionsmessungen eingesetzt werden kann. Dies eröffnet beispielsweise ganz neue Möglichkeiten für eine zukünftige Erforschung der Schwerkraft. Über die Forschungsergebnisse berichtet die Zeitschrift „Science“ in ihrer aktuellen Ausgabe.

Professor Klempt forscht innerhalb des Sonderforschungsbereichs (SFB) „DQ-mat“ der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig. Der SFB beschäftigt sich mit Vielteilchen-Quantensystemen, die in dem neuen Feld der Quantenmetrologie für Präzisionsmessungen eingesetzt werden sollen.

Was bedeutet „Verschränkung“ in der Physik?
Zwei Teilchen besitzen zwei mögliche Zustände mit den Werten 0 und 1. Nach der Quantenmechanik können diese Teilchen in Überlagerungen der beiden Zustände sein. Erst eine Messung legt den Wert 0 oder 1 fest. Verschränkung bedeutet nun, dass Teilchen sich in Überlagerungszuständen befinden, die Messung eines Teilchens jedoch die Messwerte für beide Teilchen festlegt (0 oder 1).

Quelle: Presseinformation Nr. 051/2018 der Leibniz Universität Hannover